电子产品装联可靠性验证标准研究

李旭珍，刘丙金，马安良，韩讲周，闵卫锋，李小平

（1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065）

1 研究背景

随着电子元器件封装技术的飞速发展，电子元器件封装外形种类越来越多，微型化的精密元器件层出不穷，同时面临复杂的国际竞争形势，国产元器件实现快速发展，许多依赖进口的元器件逐渐实现了国产化，但受到国内工艺和封装技术的水平限制，在技术不断更新换代的同时，也给电子产品的装联可靠性带来的巨大的挑战，因此对于电子产品装联可靠性的研究也成为一项迫在眉睫的工作。

目前，电子产品主要依靠焊接的方式实现元器件与印制电路板的有效连接，以达到预期的功能性能，许多研发设计人员往往关注产品的功能，而忽略了产品使用的可靠性。电子产品装联可靠性的研究在国外起步较早，许多国际知名电子企业都建立了一套可靠性验证企业标准，用于验证电子产品在完成组装后使用的长期可靠性，从而不断促进电子产品的质量提升，而国内电子行业起步较晚且缺少这方面的研究，导致新型封装的元器件引入后，没有充分进行装联可靠性验证，从而出现不满足预期使用寿命的产品故障，给企业带来很大的经济和声誉损失，尤其对于高可靠性行业，如航空航天、兵器船舶、医疗器械、汽车电子等，影响程度将更为深刻。因此，开展电子产品装联可靠性研究是十分必要的。

2 可靠性介绍

2.1 可靠性定义和可靠性试验原理

产品在规定条件下和规定时间内，在接受的失效程度范围内，实现规定功能的能力。为分析评价产品的可靠性而进行的试验称为可靠性试验。可靠性试验的原理是通过模拟工作条件和环境条件，将各种工作模式及环境应力按照一定的时间比例，按一定的循环次数反复施加到受试样品上，经过失效分析和处理，将得到的信息反馈到设计、制造、材料和管理部门进行改进，提高产品的固有可靠性。

2.2 装联可靠性的重要性

电子产品组装密度的骤升和焊点的微型化给电子装联可靠性带来巨大挑战，在许多场景下，电子装联可靠性已经成为制约整个产品可靠性的瓶颈，而且这种趋向往后将更加突出。近年来，电子装联可靠性已成为产品可靠性的重要分支之一。在电子装联中，印制电路板与元器件之间的“连接”是一条主线，而焊接则为重中之重，占所有连接方式的95%以上。目前，电子产品中采用微电子器件和功能模组越来越多，微电子封装中的焊点也越来越小，而其所承受的力学、电学和热学负荷却越来越重，对焊点可靠性要求日益增高。所以，焊点成为电子装联可靠性的关注焦点，如何评价其可靠性是装联工艺的核心内容。

3 装联可靠性试验

3.1 装联可靠性试验标准

一般情况下，电子产品装联可靠性试验要求验证的可靠性，是指典型条件下或实际使用中一般条件下的可靠性，而不是特殊或极端条件下的可靠性。因此，试验条件应当选择实际使用中最典型和代表性的条件，同时为了取得试验结果的重复性和可比性，试验方法必须标准化。目前，许多的可靠性试验方法的标准大多数是适用于元器件或设备的，专门针对电子产品装联后所形成焊点的不多，主要有《表面焊接件加速可靠性试验导则》（IPC—SM—785）和《表面安装焊接连接的性能测试方法及鉴定要求》（IPC—9701A），其中上述两个标准又引用了一些其他的具体试验方法和标准，如JESD22—A104D和IPC—TM—650。此外，由于可靠性试验前后还需要对失效判据指标进行测试或测量，因此会使用到IPC—A—610等焊点外观的可接受标准。由于导致焊点失效的主要失效模式是温度循环导致的焊点疲劳，所以常常使用温度循环作为加速应力，参考IPC—9701A等标准进行性产品焊点寿命的评估和预测[1]。

3.2 装联可靠性试验方法

电子产品装联可靠性常见的可靠性试验方法包括温度循环试验、温度冲击试验、振动试验、跌落试验、高温存储试验、湿热试验、霉菌盐雾试验、电迁移试验等。

3.2.1 温度循环试验

焊点通常需要面对温度变化的环境条件，比如日夜与季节导致的温度变化、工作与非工作状态的温度变化、地理位置的改变导致的温度变化等，这些温度变化都会导致焊点材料的周期性蠕变，疲劳周期常常从焊料晶粒变大的形式开始，并可能在外露的表面上呈现凹凸不平，最终导致焊点的疲劳失效，焊点内部金属学演化过程如图1所示。温度循环试验适用于揭示、评估由剪切应力引起的“蠕变-应力释放”疲劳失效机理和可靠性，在电子装联焊点的失效分析和评价方面应用最为广泛[2]。

图1 焊点内部金属学演化过程示例

3.2.2 温度冲击试验

温度冲击试验也称为热冲击试验，在热冲击中，极其迅速的温度变化（≥30℃/min），将导致印制电路板组件的变形。变形将导致拉伸和剪切应力，而且在整个热稳定状态也一直存在拉伸应力。这样，即使热膨胀系数匹配，在热冲击时也表现为焊点失效。因此，可以说温度冲击试验适用于拉伸和剪切应力引起的可靠性问题评价与分析。温度冲击试验的目的是为了评估产品对周围环境温度急剧变化的适应性，也用于暴露印制电路板上焊接存在短板的元器件。热冲击试验参考的主要标准有《电工电子产品基本环境试验规程》（GB/T 2423）。

温度冲击试验与温度循环试验有一定的相似性，但两者有着本质的不同。温度冲击试验的温度变化率通常要大于30℃/min，主要用于考量产品不同材料热膨胀系数不匹配导致的可靠性问题，而温度循环一般要小于20℃/min，通常用于模拟焊点的热疲劳寿命。

3.2.3 振动试验

电子产品在运输或使用过程中都可能遇到不同频率或不同强度的振动环境，这对产品的焊点可靠性是一个严峻的挑战。例如，车载电子设备会由于车辆的振动而产生振动，一般情况下，汽车、火车在运行过程中产生的振动加速度小于5.6 g，振动频率范围在2～8 Hz；民航飞机运行时产生的振动最大加速度可达20 g，频率多在30Hz左右。当振动激励造成应力过大时，会使焊点产生裂纹或断裂。振动试验一般可以分为随机振动和正弦振动两大类。正弦振动通常又分为正弦扫频和共振耐久两种。关于振动的试验的具体试验方法一般参考IEC标准，如IEC68—2—34、IEC 68—2—35、IEC 68—2—37，也可以参考国家标准GB/T2423等。

3.2.4 跌落试验

跌落试验主要是用来评估考察电子产品从一定高度上自由跌落下来的适应性和经受这种瞬间作用冲击应力作用下的结构或焊点的完整性。跌落试验主要看考的标准有 JESD22—B104—C、JESD22—B110—A、JESD22—B111等。

3.2.5 其他试验方法

除以上试验方法外，还根据电子产品的使用环境进行一些其他的可靠性试验方法，比如高温储存试验主要用来考察电子产品在储存条件下，温度与时间的对产品的可靠性影响。湿热试验的目的是确定电子产品焊点在高温高湿或有温度、湿度变化的情况下工作或储存的适应性，湿热试验的失效判据一般是检查外观变色或枝晶生长与否。电迁移试验主要是为了评估电子产品焊点或印制电路板组件发生电化学迁移的可能性。

3.2.6 可靠性评估

焊点的可靠性评价方法是多维度的，因此在对电子产品的可靠性进行测试评价前，要确定测试的方法，找出产品的薄弱点，只有这样，才能对电子产品开展有效的可靠性评价。但对于电子产品装联来说，导致焊点失效的主要失效模式是温度循环导致的疲劳，所以常常使用温度循环作为加速应力，在本研究中也将重点介绍对温度循试验方法的研究。

3.3 行业内装联可靠性验证标准调研

通过对电子产品行业内多个知名单位调研得出，装联可靠性验证标准的执行情况见表1。从调研结果来看，多个单位未建立装联可靠性的验证标准，在有建立装联可靠性验证标准的单位中，IPC—9701A[3]、ECSS—Q—ST—70—38C[4]以及航天标准QJ 3086A[5]为主要的采纳标准，并且从整体调研结果来看，各单位也主要是通过温度循试验的方法对电子装联可靠性进行评价。

表1 行业内装联可靠性验证标准调研情况

4 可靠性试验条件的确定

4.1 可靠性试验的选择原则

可靠性试验的选择原则：①试验条件要能够反映产品的使用条件，避免产生不存在的失效机理。②试验时间可以参考以往的寿命试验数据或者产品的维修数据，通常需要制造商与用户一同确定。③应该对试验后的产品进行失效分析，确定失效的模式。④应该针对薄弱点进行，重点考核影响产品可靠性大的因素进行。

4.2 温度条件的确定

以温度循环的试验条件确定为例，选择温度测试条件时要谨慎，需要注意：特定测试条件下的Tmax尽可能地不超出印制板的玻璃化温度范围，若电子产品使用f（测试）为测试的循环频率，f（产品）为使用的循环频率。

目前，Norris-Landzberg公式是一种通过加速试验结果推导使用环境中焊点寿命的重要方法，它考虑了温度变化范围、热循环周期和热循环频率等因素对焊点失效寿命的影响。Norris-Landzberg公式如下：

公式（4）中：△TA为加速试验下的温度变化范围；△TU为工作环境下的温度变化范围；fA为加速试验下的每天热循环周期的次数；fU为工作环境下每天热循环周期的次数；TA为加速试验下的最高温度（单位K）；TU为工作环境下的最高温度（单位K）。

4.3 循环次数评估

假设电子产品的△TA＝155℃、fA＝24次/d、TA＝373.15 K、△TU＝125℃、fU＝100/365次 /d、TU＝343.15 K，通过Norris-Landzberg公式可以计算出加速因子AF（MTTF）为41.34。假设测试时间为200 h，那电子产品的预计可靠性工作时间为8268h。

同理，通过产品的可靠性寿命要求反推测试时间也是可行的，因此使用加速因子（AF）的计算确定可靠性试验所需的温度循环条件是非常具有指导意义的。

4.4 方法验证评估

根据温度循环试验条件的评估方法，对装载到某电子产品上的陶瓷球栅阵列封装器件的装联可靠性进行试验验证，通过实际试验，进一步证明这种可靠性验证方法的有效性，图2是经过一定次数的温度循环试验后，焊点的晶粒粗化并导致最终出现贯穿性裂纹的金相分析图片。

图2 焊点的晶粒粗化及贯穿性裂纹

5 结语

通过本研究，明确电子产品装联可靠性试验的选择原则，提供了一种通过使用加速因子评估温度循环可靠性试验的方法，为电子产品装联的可靠性验证提供方法支持。由于电子产品种类繁多，并且产品的使用环境条件及可靠性等级要求也存在着差异，因此通过科学的方法确定每一种电子产品的可靠性验证条件也是非常必要的。